機(jī)器人抓取系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別地涉及一種機(jī)器人穩(wěn)定抓取工件的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人飛速發(fā)展的今天，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。如汽車及 汽車零部件制造、機(jī)械加工、電子電氣生產(chǎn)、橡膠及塑料制造、食品加工、木材與家具制造等 領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器人作業(yè)發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人對工件的抓取是制造業(yè)的 自動(dòng)化生產(chǎn)中一項(xiàng)常見的任務(wù)。目前，視覺引導(dǎo)與定位技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人獲得作業(yè) 周圍環(huán)境信息的主要手段，但目前的技術(shù)尚未提供實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定抓取的方法。在工業(yè)中，機(jī) 器人抓取的過程存在抓取緩慢或不穩(wěn)定的情況，存在抓取一類工件的困難，且實(shí)時(shí)性和可 靠性不能保證。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型提供了一種機(jī)器人抓取系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用制造業(yè)中工業(yè)機(jī)器人工件抓 取作業(yè)，提高了機(jī)器人工作的效率。
[0004] 本實(shí)用新型的機(jī)器人抓取系統(tǒng)包括:機(jī)器人、攝像機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、和四指手 爪，其中：四指手爪和攝像機(jī)固定在機(jī)器人的第六軸末端;攝像機(jī)的像平面設(shè)為與四指手爪 的手指方向垂直;以及攝像機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)和機(jī)器人依次電氣連接。
[0005] 可選地，機(jī)器人的第六軸末端是與末端執(zhí)行器相連接的軸末端。
[0006] 可選地，四指手爪包括手掌圓盤、兩條交叉直線導(dǎo)軌和四個(gè)手指，所述兩條交叉直 線導(dǎo)軌固定在手掌圓盤上且互相正交，所述四個(gè)手指分成兩組，每組手指通過一個(gè)電機(jī)驅(qū) 動(dòng)以沿著相應(yīng)的直線導(dǎo)軌同時(shí)移進(jìn)或移出。
[0007] 可選地，該機(jī)器人抓取系統(tǒng)還包括傳送帶。
[0008] 該機(jī)器人抓取系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，可靠性高，抓取快速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)主視圖。
[0010] 圖2為本實(shí)用新型的基于視覺和環(huán)境吸引域融合的機(jī)器人抓取方法流程示意圖。
[0011] 圖3為本實(shí)用新型四指手爪和工件圖。
[0012] 圖4為本實(shí)用新型的所建立的手爪坐標(biāo)系圖。
[0013] 圖5為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】中所用的凸六面體工件的三維立體圖。
[0014]圖6為本實(shí)用新型的凸六面體工件在xg〇gyg平面投影。
[0015] 圖7為本實(shí)用新型的環(huán)境約束域子空間&曲線圖。
[0016] 圖8為本實(shí)用新型的環(huán)境約束域子空間(：2曲面圖。
[0017] 圖9為本實(shí)用新型的抓取過程中凸六面體工件在xg〇gyg平面的投影。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并 參照附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019] 本實(shí)用新型公開了一種基于視覺和環(huán)境吸引域融合的機(jī)器人抓取工件方法及系 統(tǒng)。
[0020] 本方法針對的是能穩(wěn)定放置在水平面上凹凸多面體工件。
[0021] 本方法利用吸引域理論，即非線性系統(tǒng)中，如果存在吸引域，則吸引域的最低點(diǎn)對 應(yīng)著該非線性系統(tǒng)的一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。本方法分離線分析與在線抓取兩個(gè)階段。在離線階段， 首先基于手爪和工件的CAD模型構(gòu)建環(huán)境約束域，并將高維環(huán)境約束域分解成若干三維以 下子空間并求出子空間中約束域的局部最低點(diǎn)，即穩(wěn)定抓取狀態(tài);在在線階段，利用攝像頭 采集單幅圖像，識別并定位工件位姿，然后計(jì)算由初始狀態(tài)到高維環(huán)境約束域的路徑規(guī)劃， 通過計(jì)算機(jī)輸出軌跡點(diǎn)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)對工件的穩(wěn)定抓取。
[0022] 本實(shí)用新型還公開了一種實(shí)現(xiàn)以上方法的基于視覺和環(huán)境吸引域融合的機(jī)器人 抓取系統(tǒng)，包括，傳送帶、機(jī)器人、攝像機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、四指手爪和工件。該系統(tǒng)利用視 頻攝像頭采集圖像，利用計(jì)算機(jī)識別工件并定位工件位姿，通過環(huán)境吸引域得到工件的穩(wěn) 定抓取位姿，并計(jì)算出初始位姿與穩(wěn)定抓取位姿之間的路徑規(guī)劃，從而控制機(jī)械手快速、穩(wěn) 定抓取工件。系統(tǒng)中視頻攝像頭采集單幅工件圖像;計(jì)算機(jī)通過圖像識別并定位工件，計(jì)算 機(jī)械手從初始狀態(tài)到穩(wěn)定抓取的路徑規(guī)劃，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)械手抓取工件;計(jì)算 機(jī)的數(shù)據(jù)端與工業(yè)機(jī)器人的控制柜的數(shù)據(jù)端連接，通過輸出軌跡點(diǎn)控制工業(yè)機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，可靠性尚，抓取快速穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施 方式不限于此。
[0024] 實(shí)施例
[0025] 如附圖1所示，一種基于視覺和環(huán)境吸引域融合的機(jī)器人抓取系統(tǒng)，包括機(jī)器人2、 攝像機(jī)3、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)4、四指手爪5和工件6;四指手爪5和攝像機(jī)3固定在機(jī)器人2第六 軸末端（即與末端執(zhí)行器相連接的軸末端），攝像機(jī)3像平面設(shè)為與四指手爪5手指方向垂 直;攝像機(jī)3、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)4和機(jī)器人2依次電氣連接。可選地，該系統(tǒng)還可以包括傳送帶 1。其中，遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序，以控制機(jī)器人、攝像機(jī)、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)、四指手 爪實(shí)現(xiàn)在線階段的操作。
[0026] 根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，四指手爪包括手掌圓盤、兩條交叉直線導(dǎo)軌和四個(gè)手 指，所述兩條交叉直線導(dǎo)軌固定在手掌圓盤上且互相正交，所述四個(gè)手指分成兩組，每組手 指通過一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以沿著相應(yīng)的直線導(dǎo)軌同時(shí)移進(jìn)或移出。
[0027] 根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，該機(jī)器人抓取系統(tǒng)還包括傳送帶1。
[0028] 該機(jī)器人抓取系統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)以下描述的方法。
[0029] 如附圖2所示，一種基于視覺和環(huán)境吸引域融合的機(jī)器人抓取方法，包括以下步 驟：
[0030] 離線階段
[0031] 步驟S1:如用四指手爪抓取一個(gè)凸六面體工件，首先根據(jù)工件的CAD模型和四指手 爪的模型，建立手爪坐標(biāo)系，如附圖4所示。初始時(shí)工件62在水平面上處于穩(wěn)定狀態(tài)，且它在 平面上的投影為四邊形，如附圖5所示，51、52、53、54分別為四指手爪的四指。構(gòu)建手爪與凸 六面體工件的靜態(tài)接觸模型如下：
[0032]在手爪坐標(biāo)系下的工件62的位姿可表示為
[0033] Χ(χ，γ，ζ，θχ，θγ，θζ)
[0034] 其中，x，y，z分別是工件的重心在手爪坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)；θχ，θγ，θζ分別是以當(dāng)前 工件在手爪坐標(biāo)系XgOgYg面投影的位置為初始位置，工件繞手爪坐標(biāo)系的xg軸、y g軸、zg軸的 旋轉(zhuǎn)角度;X表示工件的位姿。
[0035] 抓取過程可以描述為：
[0037]其中F(t) = [Fx(t) Fy(t)]是兩對手爪的夾持力，t表示時(shí)間，F(xiàn)x和Fy分別是在父 8方 向和Yg方向上的夾持力。
[0038] 如附圖6所示，四指手爪的兩對手指與三維工件接觸，設(shè)兩對接觸點(diǎn)在手爪坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)分別為 52 (xv ')、54 (X/;,')和 51 (ΧΛ, )、53 (XV')。則
[0039] χ?ι + χ/2-0, γ, + γ,^ο
[0040] 定義能量函數(shù)如下
[0041 ] Ep(X,t) = [Fx(t) Fy(t)][dx dy]T
[0042]其中< Η Y/廠' 丨、冬Η X/: I分別是兩對手爪每對手指之間的距離。可以證 明，如果Fx(t)和Fy(t)選取適當(dāng)，則四指手爪抓取工件的構(gòu)形空間(X，EP)存在環(huán)境吸引域。 環(huán)境吸引域，又簡稱吸引域，定義為一個(gè)狀態(tài)集，它滿足存在一個(gè)與狀態(tài)無關(guān)的輸入，使得 系統(tǒng)從狀態(tài)集中任意狀態(tài)收斂到一個(gè)更小的狀態(tài)集。
[0043]定義約束域函數(shù)如下
[0044] g(X)=dx+dy
[0045] 則g(X)表示兩對手爪距